2. Il carcinoma prostatico e il ruolo della Risonanza
3.2 Controlli di qualità
3.2.2 Controlli di qualità in diffusione
L’utilizzo della tecnica di diffusione è molto importante grazie alla possibilità di quantificazione che offre attraverso il valore di ADC. Lo sviluppo di metodologie che permettano di ottimizzare e standardizzare l’acquisizione è quindi fondamentale. Il protocollo impiegato presso l’A.O.E. Cannizzaro trae spunto da quello sviluppato e pubblicato in letteratura dal Gruppo di Lavoro “Quantificazioni e interconfronti in RM” dell’Associazione Italiana di Fisica Medica (AIFM) [38]. I controlli hanno previsto il calcolo dell’ADC per due diversi b-value massimi (bmax) (1000 s/mm2 e 3000 s/mm2); e la valutazione della riproducibilità temporale a breve termine delle misure di diffusione, basata sull’esecuzione di cinque misure ad intervalli di pochi minuti l’una dall’altra solo in un caso (bmax 1000 s/mm2). Le acquisizioni sono state effettuate su un fantoccio a forma di bottiglia (figura 3.5) riempito con una soluzione acquosa (2
63
mM di esaidrato di NiCl2 e 0,5 g/L di NaN3), fornito dal Gruppo di Lavoro AIFM a tutti i partecipanti.
Figura 3.5 Posizionamento del fantoccio a forma di bottiglia all’interno della bobina head per il controllo
di qualità in diffusione.
Il fantoccio è stato lasciato nella sala magnete un giorno prima dell’acquisizione per permettere il raggiungimento di un buon equilibrio termico. All’atto della misura il fantoccio è stato posizionato al centro della bobina head (8 canali) in modo che gli assi del contenitore fossero paralleli agli assi della bobina. Inoltre il centro del fantoccio è stato fatto coincidere con l’isocentro dello scanner. E’ stata registrata la temperatura di 18°C all’interno della sala magnete prima dell’inizio dell’acquisizione, attendendo circa 20 minuti dopo il posizionamento per permettere una buona stabilizzazione del liquido. L’acquisizione ha previsto l’acquisizione di una serie di diffusione a bmax di 1000 s/mm2 con step di 100 s/mm2, ed un’altra con bmax di 3000 s/mm2 con step di 500 s/mm2. In tutte le acquisizioni si è partiti da b=0 s/mm2 per arrivare al massimo valore. I b-value sono stati scelti in modo da utilizzare valori impiegati nella pratica clinica. Il
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gradiente di diffusione è stato applicato lungo la direzione di scansione assiale. Ognuno dei dataset è stato poi così analizzato: una ROI è stata posta al centro del fantoccio, facendo attenzione ad escludere eventuali effetti di bordo, registrando il valore medio dei pixel nella regione d’interesse. Il valore di ADC è stato calcolato applicando un fit esponenziale dell’equazione 1.7 del capitolo 1 sia per le cinque misure effettuate a b=1000 s/mm2 che per quella a b=3000 s/mm2. In tabella 3.4 sono riportati tutti i valori di ADC ricavati dalle sei diverse misure.
Figura 3.6 Fit esponenziale di una delle cinque misure a bmax di 1000 s/mm2 con step di 100 s/mm2 tra un
punto ed il successivo. # Acquisizione bmax (s/mm2) (10-3ADC mm2/s) (10Media -3 mm2/s) 1 1000 1,857 1,865 ± 0,005 2 1000 1,865 3 1000 1,870 4 1000 1,870 5 1000 1,864 6 3000 1,846 1,846
Tabella 3.4 ADC ottenuti dal fit esponenziale dei punti sperimentali da ogni singola acquisizione.
Nell’ultima colonna si trova il valore medio delle cinque acquisizioni con lo stesso bmax, per una valutazione
di riproducibilità tra le misure.
y = e-1,87E-03x R² = 1,000E+00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 200 400 600 800 1000 1200 Sb /S0 b (s/mm2)
S (ADC)
ADC Espo. (ADC)65
Dalla tabella 3.4 si evince immediatamente come le cinque misure con lo stesso bmax sono pressoché uguali vista la deviazione standard tra le misure quasi nulla ed una differenza tra il valore minimo ed il valore massimo dello 0,7%. Inoltre la differenza tra l’ADC ottenuto con bmax 1000 s/mm2 e quello con bmax 3000 s/mm2 è dell’1%, dimostrando un’indipendenza dell’ADC dal bmax e dagli step utilizzati.
Successivamente sono stati confrontati i valori dell’ultima colonna della tabella 3.4 con i singoli valori di ADC ottenuti dalla linearizzazione dell’equazione 1.7 del capitolo 1 nella 3.1. Lo scopo è stato quello di confrontare i valori di ADC calcolati con due metodi differenti.
𝐴𝐷𝐶 = 1 𝑏ln
𝑆0
𝑆𝑏 (3.1)
Nella 3.1 il valore di ADC è stato ottenuto considerando coppie di valori in cui S0 è il segnale a b=0 s/mm2 e Sb il segnale nell’immagine di diffusione a valore b≠0. Quindi ad esempio in un’acquisizione a bmax 1000 s/mm2 sono stati ottenuti 10 diversi valori di ADC dal confronto del singolo step di 100 s/mm2 con il valore a b=0 s/mm2. In tabella 3.5 viene riportata la differenza massima percentuale tra il valore di ADC ottenuto col fit esponenziale dei punti sperimentali e il valore di ADC ottenuto dalla 3.1 per ogni singola acquisizione.
# Acquisizione bmax (s/mm2) Deviazione % massima 1 1000 -0,8 2 1000 -0,8 3 1000 -3,0 4 1000 -0,8 5 1000 -1,4 6 3000 1,1
Tabella 3.5 Deviazione % massima tra il valore ottenuto dal fit esponenziale ed il singolo ADC ottenuto
dalla 3.1.
La tabella 3.5 mostra subito come le differenze siano minime (all’interno del 3%) e quindi come l’ADC possa essere misurato con entrambi i metodi
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ottenendo lo stesso risultato e dimostrando un’indipendenza dal b-value utilizzato.
3.2.3 Controlli di qualità in spettroscopia
I protocolli di controlli di qualità in spettroscopia hanno come obiettivo principale quello di stabilire delle metodologie di verifica della misura di rapporti in relativo tra le aree dei picchi di diversi metaboliti.
La conoscenza delle concentrazioni è una condizione necessaria affinché il sistema funzioni bene, ma è realistico pensare che le condizioni ambientali possano introdurre errori casuali non valutabili [50,80–83]. La proposta di protocollo in atto presso l’A.O.E. Cannizzaro è stata realizzata seguendo le indicazioni dello stesso Gruppo di Lavoro AIFM che ha sviluppato il protocollo per la diffusione. Le misure sono state eseguite utilizzando un fantoccio che consiste in una sfera d’acqua con alcuni metaboliti disciolti in essa ed è stato utilizzato da diversi centri in tutta Italia per un confronto tra i diversi scanner installati nelle aziende ospedaliere. Nell’ottica dei controlli di qualità l’analisi si è concentrata solamente sull’analisi del picco del segnale spettroscopico dell’acqua.
Il protocollo del controllo di qualità consta di una prima fase di preparazione che prevede di lasciare il fantoccio all’interno della sala magnete almeno il giorno prima dell’acquisizione, allo scopo di permettere il raggiungimento di un equilibrio termico tra la sala e il fantoccio.
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Figura 3.7 Set-up per la misura di controlli di qualità di spettroscopia. Si noti il fantoccio a forma di sfera
all’interno della bobina head.
Il giorno della misura il fantoccio viene posizionato all’isocentro dello scanner al centro della bobina head e si attendono 15 minuti per permettere una buona stabilizzazione del liquido (figura 3.7). Inoltre viene registrata la temperatura all’interno della sala magnete all’inizio e alla fine dell’acquisizione. Viene eseguito uno scout preliminare per verificare la centratura del fantoccio, si utilizza la scansione di tipo PRESS senza soppressione dell’acqua in single voxel con i seguenti parametri: dimensione del VOI di 20x20x20 mm3 posizionato al centro del fantoccio, TE di 37 ms e TR di 4000 ms. La misura viene ripetuta due volte spostando il centro del VOI prima di 4 cm in direzione alto-basso e poi in direzione destra-sinistra; di altre 4 volte cambiando ogni volta le dimensioni del VOI in 10, 15, 25 e 30 mm di lato. Infine vengono effettuate altre 4 misure a TE di 100, 150, 300 e 400 ms (tabella 3.6). Lo stesso set di misure va ripetuto in 5 giorni differenti per valutarne la riproducibilità.
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# Acquisizione TE (ms) Dimensioni del voxel (mm3) Posizione del voxel
1 37 20x20x20 centro 2 37 20x20x20 4 cm in direzione alto- basso 3 37 20x20x20 4 cm in direzione destra-sinistra 4 37 10x10x10 centro 5 37 15x15x15 centro 6 37 25x25x25 centro 7 37 30x30x30 centro 8 100 20x20x20 centro 9 150 20x20x20 centro 10 300 20x20x20 centro 11 400 20x20x20 centro
Tabella 3.6 Riassunto delle acquisizioni effettuate in una singola sessione di misura. Sono illustrati
solamente i parametri che vengono variati nel protocollo d’acquisizione.
Gli spettri sono stati processati con il software jMRUI [84] ottenendo i seguenti parametri: frequenza, ampiezza, larghezza e fase del segnale con relative deviazioni standard e rapporto segnale/rumore. La frequenza rappresenta il centroide del picco, la larghezza del segnale consiste nell’intervallo di frequenze di cui è composto la gaussiana dello spettro, l’ampiezza consiste nell’intensità e quindi nell’altezza del picco dello spettro ed infine la fase è la traslazione in termini angolari di una frazione di periodo trascorsa rispetto ad un tempo fissato (figura 3.8).
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Figura 3.8 Rappresentazione schematica dei parametri analizzati dai singoli spettri ottenuti dalle
acquisizioni dei controlli di qualità in spettroscopia: ampiezza, larghezza, fase e valore centrale della gaussiana in termini di frequenza.
Da queste informazioni si è potuto calcolare il valore medio dell’area sotto il picco dell’acqua, ottenibile in prima analisi come il prodotto della larghezza per l’ampiezza del segnale per ognuna delle singole acquisizioni, ottenendo un valore medio tra le tre acquisizioni a diversa posizione del voxel (acquisizioni 1, 2 e 3 della tabella 3.6) ed a diverso tempo di rilassamento T2 calcolato dalle misure al variare del TE (acquisizioni 4, 5, 6 e 7). E’ stata valutata anche la correlazione lineare sia in ampiezza che in larghezza di picco al variare delle dimensioni del voxel (acquisizioni 8, 9, 10 e 11). Le misure sono poi state trasmesse al coordinatore del gruppo di lavoro AIFM al fine di procedere ad una inter valutazione tra tutti i centri aderenti allo studio multicentrico.
In tabella 3.7 sono riassunti i risultati della misura dell’area sotto il picco dell’acqua nelle cinque acquisizioni a diversi giorni con relativa ampiezza (H), larghezza (L) ed area per ogni singola posizione del voxel.
70 Giorno 1 H L Area Centro 12,1 5,9 71,4 4 cm alto-basso 10,4 26,6 276,6 4 cm destra-sinistra 11,9 4,0 47,6 Media 11,5 12,2 140,3 Giorno 2 H L Area Centro 11,3 5,9 66,7 4 cm alto-basso 11,1 4,4 48,8 4 cm destra-sinistra 11,8 8,6 101,5 Media 11,4 6,3 71,9 Giorno 3 H L Area Centro 11,7 6,0 70,2 4 cm alto-basso 12,3 5,3 65,2 4 cm destra-sinistra 13,1 8,7 114,0 Media 12,4 6,7 82,4 Giorno 4 H L Area Centro 12,8 5,8 74,2 4 cm alto-basso 10,4 2,7 28,1 4 cm destra-sinistra 11,9 4,1 48,8 Media 11,7 4,2 49,1 Giorno 5 H L Area Centro 12,1 5,3 64,1 4 cm alto-basso 11,0 1,8 19,8 4 cm destra-sinistra 11,8 4,6 54,3 Media 11,6 3,9 45,4 (a) H
(media ± dev.std) (media ± dev.std) L (media ± dev.std) Area 11,7 ± 0,4 6,6 ± 3,3 77,7 ± 37,9
(b)
Tabella 3.7 Ampiezza (H), larghezza di banda (L) ed area dei segnali provenienti dall’acqua per ogni
singola sessione (a). Nella (b) i valor medi complessivi di H, L e dell’area con relative deviazioni standard. E’ espresso tutto in unità arbitrarie.
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In attesa che il Gruppo di Lavoro elabori i risultati del confronto dei dati ricevuti da tutti i centri aderenti, al momento è già possibile effettuare alcune considerazioni, interne alla nostra realtà, sui dati acquisiti. In particolare, appare evidente la forte variabilità della larghezza di banda tra le singole misure, che si riflette sul valore dell’area del segnale dell’acqua, affetto da una deviazione standard di quasi il 50%. Risulta molto più riproducibile l’ampiezza del segnale (H), con una variabilità che si attesta al 3%.
Il secondo dato calcolato è stato quello del T2 del fantoccio a partire da acquisizioni a diversi valori del tempo di eco del segnale. Rappresentando l’ampiezza del segnale al variare dei tempi di eco si sono ottenute curve come quella riportata in figura 3.9.
Figura 3.9 Ampiezza del segnale in funzione del tempo al variare del tempo di eco nell’acquisizione di
spettroscopia a singolo voxel.
L’andamento del segnale è, come già visto nel capitolo 1 nell’equazione 1.4, di tipo esponenziale, e dipende dal rapporto sull’esponenziale TE/T2.
y = 12,590857e
-0,001121xR² = 0,999887
0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 A (a .u .) t (ms) A(t)72
È stato quindi ricavato il T2 attraverso la regressione lineare di questa curva ottenendo un valore per ciascuna delle 5 giornate di misura. I T2 ottenuti sono nella tabella 3.8. T2 (ms) Valore medio (ms) 935,4 ± 45,9 891,8 886,0 954,6 949,8 994,7
Tabella 3.8 I valori di T2 nelle cinque sessioni di misura con il relativo valore medio.
Il risultato è molto buono in termini di bassa variabilità delle misure, all’interno del 5%, e quindi garantendo un’alta riproducibilità della curva.
L’ultima analisi ha riguardato la valutazione dell’ampiezza e della FWHM del segnale al variare del volume del voxel. L’obiettivo è stato quello di valutare la linearità tra le due variabili e la riproducibilità nel tempo. In figura 3.10 è illustrata la curva relativa ad una sessione di misura.
Figura 3.10 Ampiezza e FWHM del segnale dell’acqua in funzione del volume del voxel.
y = 9,90E-04x + 2,83E+00 R² = 8,93E-01 y = 2,28E-04x + 3,04E+00 R² = 9,75E-01 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Unità ar b itr ar ie V (mm3)
Linearità segnale-volume
A(V) FWHM(V) Lineare (A(V)) Lineare (FWHM(V))73
In tabella 3.9, considerando i due fit lineari del tipo A(V)= m1V+ q1, e FWHM(V) = m2V+ q2, ottenuti dai dati per ogni sessione di misura, sono riportati i coefficienti m e q delle rette. Inoltre è stata valutata anche la linearità dei punti sperimentali, attraverso il coefficiente di correlazione lineare R2 di Bravais-Person [85].
Acquisizione m1 q1 m2 q2
1 9,89E-04 2,77E+00 2,39E-04 3,21E+00
2 4,42E-04 5,41E+00 1,62E-04 3,40E+00
3 9,32E-04 2,87E+00 1,45E-04 3,93E+00
4 5,70E-04 4,24E+00 2,52E-04 3,18E+00
5 9,90E-04 2,83E+00 2,28E-04 3,04E+00
Media 7,85E-04 3,63E+00 2,05E-04 3,35E+00
(a) Acquisizione R2 (A(V)) R2 (FWHM(V)) 1 0,89 0,95 2 0,65 0,79 3 0,89 0,69 4 0,79 0,97 5 0,89 0,98 Media 0,82 0,88 (b)
Tabella 3.9 Parametri dei fit lineari nella relazione tra ampiezza e FWHM col volume del voxel. Nella
tabella (a) si trovano la pendenza (m) e l’intercetta (q) della retta con l’asse y. Nella tabella (b) ci sono i diversi R2, indicatori della linearità della serie di punti sperimentali.
I risultati relativi alla linearità dei punti sperimentali sono buoni per entrambe le funzioni, come si può evincere dai valori di R2 pari a 0,82 per A(V) ed a 0,88 per FWHM(V). Riguardo all’A(V) sembra ci sia un effetto di saturazione ad alto volume, e si attendono i risultati complessivi dell’intero Gruppo di Lavoro per giungere a delle conclusioni definitive. La riproducibilità è altrettanto rispettata visto che i diversi m e q delle rette sono sempre all’interno dello stesso ordine di grandezza, con una variabilità massima all’interno del 10% tra i singoli valori.
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